La memoria virtuale. Architettura e funzionamento. Stefano Barlocchi Aesse Service s.r.l. Documentazione tecnica

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1 La memoria virtuale Architettura e funzionamento Stefano Barlocchi Aesse Service s.r.l. Documentazione tecnica

2 1 Introduzione L utilizzo di un calcolatore digitale è divenuto oggigiorno una prerogativa riguardante ogni tipo di occupazione, la digitalizzazione delle informazioni è certamente un passo avanti nel settore dei servizi e non solo, ma certamente non è possibile pensare di utilizzare calcolatori di scarse prestazioni per eseguire programmi e, di conseguenza, elaborazioni di media e grande entità. I primi calcolatori elettronici, avevano come unico compito trasformare degli input in un output, seguendo un determinato iter programmatico. I calcolatori che siamo abituati a utilizzare ogni giorno hanno, ovviamente, enormi possibilità di espansione delle funzionalità e delle operazioni che sono eseguibili. Ogni computer attuale ha la capacità di eseguire un sistema operativo, che sia esso open source o closed source, generalmente dotato di un interfaccia grafica, e di una divisione dei software in software di base e applicativi. La grande richiesta di utilizzo dei computer per svolgere diversi tipi di lavoro, ha richiesto una semplificazione dell uso degli stessi, è impensabile al giorno d oggi chiedere ad esempio, ad un architetto, di creare un progetto di un appartamento parlando al computer da riga di comando, sarebbe poco pratico e vanificherebbe lo scopo del computer stesso, ossia ridurre i tempi di esecuzione di un determinato lavoro. Ognuno di noi è abituato a interagire con il computer maggiormente attraverso un interfaccia grafica, di cui ogni sistema operativo consumer è dotato. Anche una funzione come l interfaccia grafica di un sistema operativo, può sembrare scontata e banale all utente medio, ma è incredibile il numero di operazioni che gestiscono questo strato del sistema operativo. Basti solo pensare all aggiornamento della posizione a video del puntatore in base alla posizione fisica relativa della periferica di input: Ogni micro movimento viene registrato da un sensore ottico, che invia informazioni (attraverso meccanismi di trasduzione e codifica) al processore, che deve provvedere a impostare programmaticamente la posizione dei pixel relativi al puntatore. Il sistema operativo, anche in stato di idle (Avviato e in esecuzione solo con i programmi di base, out of the box ) ha in esecuzione un numero elevato di processi di sistema, che occupano memoria. Dalla memoria primaria, dipende quindi la quantità di dati che possono essere prelevati e elaborati dal processore, essa diviene di conseguenza un parametro prestazionale dell elaboratore, in quanto determina le prestazioni in monotasking e, soprattutto, in multitasking.

3 2 Cenni sulla memoria primaria La memoria primaria determina la quantità massima di informazioni (dati) che possono essere prelevate e elaborate dal processore Da questa definizione di base è semplice capire come la memoria primaria sia determinante per le prestazioni di monotasking e multitasking della macchina, i dati da elaborare, infatti, risiedono nella memoria primaria mentre il processore (CPU) esegue le operazioni necessarie sui dati, per poter garantire l output richiesto. Quando ci riferiamo alla memoria primaria, ci riferiamo prevalentemente alla memoria RAM e alla memoria cache, la prima è montata sulla scheda madre (Motherboard) attraverso dei particolari slot (Dimm slots), la seconda, invece, è integrata nei processori abbastanza recenti (prima era esterna al processore, e trovava posto sulla regione superiore della scheda madre). La memoria primaria (che da ora chiameremo semplicemente memoria) è costituita da un elevato numero di celle di memoria, che, elettronicamente parlando, sono dispositivi in grado di assumere due stati alternativi (dispositivi bistabili), all interno delle varie celle di memoria è possibile memorizzare la quantità minima di informazione, che nell informatica è il bit (Binary Digit). Possiamo semplificare la spiegazione delle memorie affermando che tutte hanno la stessa funzione, ogni dispositivo di memorizzazione costituisce, infatti, un insieme di sequenze di bit (word), che sono accessibili (è possibile raggiungerle) tramite il loro indirizzo specifico, a cui spesso, nella documentazione tecnica ci si riferisce con il corrispondente inglese Address. Esistono però dei dati tecnici che diversificano le memorie, e le assegnano a un determinato scopo, o fascia di mercato, questi dati tecnici si riferiscono all insieme dei principi fisici che regolano il funzionamento delle memorie e alla loro tencologia costruttiva. Alcuni esempi di tecnologie costruttive delle memorie sono Memoria Elettromeccanica Memoria cartacea (la scheda perforata ne è un esempio) Memoria Flash (memoria a stato solido) Memoria Ottica (Ad esempio CD/DVD/Blu--Ray ) Un parametro decisamente rilevante che diversifica maggiormente la fascia di mercato a cui una determinata memoria è destinata è il costo. Questo parametro si configura nel costo per ogni bit necessario a memorizzare una determinata informazione.

4 3 Un altro parametro molto importante per la classificazione e la destinazione a determinate fasce di mercato di un dispositivo di memorizzazione, è quella che l utente medio definisce velocità di una memoria, semplificazione colloquiale della corretta definizione tecnica Tempo di accesso. Esiste una relazione proporzionale tra i parametri che abbiamo citato: Maggiore è la capacità di memorizzazione di un supporto, minore è il costo per bit. Maggiore è la capacità di memorizzazione di un supporto, maggiore è il tempo di accesso Abbiamo precedentemente affermato che in un computer attuale, il numero dei processi attivi in un certo istante è maggiore di uno, di conseguenza è semplice dedurre come sia necessaria una elevata capacità di memorizzazione della memoria. E altrettanto semplice dedurre come sia impossibile l utilizzo fluido di un calcolatore dotato di una memoria con un tempo di accesso troppo elevato. Detto questo, si noti la configurazione di un problema sostanziale: il costo delle memorie. Essendo necessaria elevata capacità di memorizzazione, ma anche una discreta velocità (tempo di accesso) delle stesse, aumenta di conseguenza il costo, secondo le relazioni: Maggiore è la capacità di memorizzazione di un supporto, maggiore è il costo Maggiore è la velocità di un supporto, maggiore è il costo La necessità di un elevata capacità di memorizzazione della memoria primaria dipende direttamente dalle potenzialità che i sistemi operativi e i software applicativi attuali hanno, parliamo infatti di gestione di variabili come vettori, matrici a diverse dimensioni e capacità di multitasking o, in alcuni casi, multitasking su piattaforma multi utente avanzate. Ipotizziamo ora di utilizzare una memoria di costo inferiore ma di capacità maggiore come memoria primaria, pensiamo ad esempio di utilizzare un supporto ottico, ad esempio un DVD Double Layer. In questo caso avremmo 8.55 Gb di memoria primaria con un singolo dispositivo di costo ridotto, sappiamo però che la velocità di scrittura e di accesso di questo dispositivo è limitata, come anche le sue capacità di riscrivibilità. Tutti questi fattori rendono impraticabile la nostra ipotesi in un contesto commerciale. Inoltre sappiamo come gli indirizzi di memoria vengano generati in maniera casuale dalla CPU, e di conseguenza un supporto di scasa velocità risulterebbe del tutto inutile.

5 4 Abbiamo affermato che la generazione degli indirizzi da parte del processore è casuale, ma sappiamo anche che questa definizione non è completamente vera, eistono infatti alcuni principi che dimostrano come la generazione degli indirizzi sia prevedibile attraverso dei calcoli di probabilità. Esistono tre principi, che in informatica sono detti principi di localizzazione o località Localizzazione temporale: esiste un elevata probabilità che un programma necessiti di un informazione appena acquisita, ad esempio una variabile temporanea che viene reimpostata. Localizzazione spaziale: esiste un elevata probabilità che un programma necessiti di informazioni che si trovano spazialmente vicine. Localizzazione sequenziale: esiste una probabilità che un istruzione in un programma sia seguita dall istruzione successiva a livello programmatico Questi principi sono fondamentali per l ottimizzazione della memoria, tramite alcuni procedimenti che vedremo successivamente è possibile aumentare la capacità della memoria primaria senza avere la necessità di modificare la tecnologia costruttiva della stessa e, quindi, senza aumentare i costi di produzione. Teoria di base sulla memoria virtuale La memoria virtuale è un metodo di organizzazione, appunto, virtuale, della memoria di lavoro, attraverso il quale lo spazio di memoria utilizzabile dai singoli programmi, risulta di molto superiore alle dimensioni fisiche della memoria di lavoro. Da questa affermazione è semplice dedurre che non è fisicamente possibile scrivere più dati di quelli che il supporto di memoria può ospitare, di conseguenza risulta più chiaro il motivo dell aggettivo virtuale attribuito a questo tipo di organizzazione di memoria. Cito testualmente da Wikipedia la definizione informatica di Virtuale: Il termine virtuale è usato con diversi significati: in informatica è il significato di simulato, non reale La memoria virtuale è infatti una memoria le cui dimensioni sono simulate: se il supporto hardware utilizzato come memoria di lavoro ha una capacità di, ad esempio, 32 Gb, i dati realmente memorizzabili su quel supporto rimangono 32 Gb. I sistemi dotati di memoria virtuale sono equipaggiati con un unità dedicata alla traduzione degli indirizzi logici virtuali (ai quali i programmi e il processore si riferiscono), in indirizzi fisici, che vanno a localizzare una determinata cella di memoria in un determinato luogo fisico nella memoria.

6 5 Questo dispositivo di traduzione è denominato MMU, acronimo del corrispondente inglese della definizione di questo dispositivo, ossia : memory management unit, questa unità per la maggior parte dei casi trova spazio all interno del processore. La memory management unit ha sostanzialmente tre compiti, che sono imperativi per il corretto funzionamento della memoria virtuale: Traduzione dell indirizzo logico in indirizzo fisico Controllo sull esistenza dell indirizzo fisico tradotto Controllo dell eccezione di Page Fault Le funzioni 2 e 3 sono subordinate direttamente alla prima, sono infatti funzioni di controllo e gestione delle eccezioni legate alla traduzione e alla localizzazione fisica dell indirizzo tradotto nella funzione 1, in cui l indirizzo logico al quale la CPU e i processi (programmi) si riferiscono per recuperare una determinata informazione, viene tradotto in un indirizzo fisico, che localizza un informazione fisicamente presente sul supporto di memoria primaria. Nella funzione 2, la MMU ha il compito di verificare se l indirizzo logico, appena tradotto, localizza correttamente un area di memoria tramite un indirizzo fisico, come già riassunto in precedenza, infatti, spesso la memoria virtuale va ad allocare delle celle che non sono fisicamente presenti sulla memoria primaria, celle a cui ci si riferisce con un indirizzo, appunto, logico, non fisico. E quindi necessario controllare se l indirizzo fisico punta a una cella di memoria che è fisicamente presente sul supporto, e che si trova in un area di memoria utilizzabile. Nella funzione 3 la MMU ha il compito di gestire un eccezione legata direttamente alla funzione 2, infatti se la zona di memoria puntata dall indirizzo tradotto nella funzione 2 si trova nell area di swap, la MMU solleva un eccezione di page fault, successivamente il sistema operativo provvede a caricarla in memoria centrale. Problemi legati alla memoria virtuale La memoria virtuale permette un uso più produttivo del calcolatore, rendendo possibile l esecuzione simultanea di più processi, ma certamente ha anche un risvolto negativo sul lato prestazionale della macchina. Come sappiamo, la memoria virtuale, nella funzione 1, deve tradurre l indirizzo logico di riferimento in un indirizzo fisico, localizzabile fisicamente sul supporto di memoria; Questo procedimento richiede un certo tempo di elaborazione, che limita le prestazioni finali della macchina.

7 6 Un accesso normale alla memoria centrale richiederebbe un tempo che è possibile indicare con una singola espressione, ad esempio T a (Tempo accesso). Nel caso di un accesso alla memoria gestita in modo virtuale, invece, sono necessari degli step intermedi che rallentano l accesso, per mettere a confronto i due tempi di accesso ipotizziamo di assegnare un espressione a ogni tempo necessario per le varie operazioni di accesso a memoria virtuale: T tr : Tempo traduzione indirizzi (funzione 1) T car : Tempo di caricamento da swap Pg f : Caso di eccezione Page fault E chiaro che il tempo di accesso T a nel caso della memoria virtuale diventa: T a = T tr + T car E necessario anche tenere conto della probabilità Pg f Il funzionamento della memoria Per gestire una memoria, e renderla utilizzabile dal S.O. e dai processi, esistono sostanzialmente due modalità: Memoria Paginata (o divisa in pagine) Memoria Segmentata (o con possibilità di segmentazione) Nei sistemi attuali, la modalità più utilizzata è la prima, ossia la memoria paginata, non esiste una differenza notevole di prestazioni tra i due sistemi, ma generalmente si preferisce il primo per motivi legati all organizzazione più ordinata delle informazioni memorizzate. Memoria paginata Questo primo metodo mette le sue radici nell organizzazione in pagine, ossia il blocco di word consecutive, tutte di una stessa dimensione fissa (4 o 8 kb), che costituiscono l unità minima di informazione trasferita dalla memoria di massa alla memoria di lavoro, oppure dalla memoria di lavoro alla memoria di massa, nel caso di un operazione di swapping della memoria virtuale. Nella memoria paginata il meccanismo di gestione della memoria stessa è relativamente semplice da comprendere, sia la memoria fisica che la memoria virtuale vengono infatti partizionate in pagine, tutte di dimensione prefissata, e con un sistema di ordinamento delle informazioni identico.

8 7 Il sistema di gestione della memoria paginata sostanzialmente trasferisce singole pagine dalla memoria di massa a quella di lavoro e viceversa. Il vantaggio della memoria paginata è certamente che i programmi che necessitano di effettuare un accesso alla memoria, non necessitano di una particolare struttura programmatica interna che gli dia la possibilità di accedervi in modo diretto. La MMU gestisce, infatti, la corrispondenza tra gli indirizzi logici che il programma richiede e gli indirizzi fisici necessari all accesso al supporto di memoria attraverso registri interni. Questi registri hanno un sostanziale problema, maggiore è la loro dimensione, maggiore è la difficoltà della gestione della corrispondenza tra gli indirizzi, di conseguenza è necessario un aumento della grandezza delle singole pagine, per aumentare le performance, a costo però di uno spreco di memoria. Il funzionamento della memoria virtuale paginata, se si vuole entrare maggiormente nel dettaglio, è basato sull immagine dei vari processi, la stessa viene divisa in pagine di dimensione fissa. Anche la memoria principale, ossia la RAM, è partizionata in sezioni di dimensione uguale, queste sezioni di memoria prendono il nome di page frame. Ogni processo ha in diretta associazione una tabella, che viene mantenuta in memoria principale o secondaria dipendentemente dalle dimensioni della stessa, questa tabella prende il nome di page table. Come sappiamo, una tabella viene gestita tramite righe e colonne; nella page table, ogni riga contiene delle informazioni significative, queste informazioni sono: Numero di pagina (page number) Bit present Bit modified Numero di frame corrispondente Gli indirizzi logici sono rappresentati dai due valori principali: Page number, offset. La traduzione avviene trovando la riga corrispondente al numero di pagina indicato nell indirizzo logico (parametro Page number), successivamente si controlla se il bit present ha valore 0, se sì ci troviamo nella situazione in cui la pagina non è presente in memoria principale, viene quindi sollevato un Page Fault, infine viene generato l indirizzo fisico. Infine, il bit modified è un indicatore di modifica, ha la funzione di indicare se la pagina è stata modificata o meno, questo bit incrementa le prestazioni della macchina, ottimizzando il procedimento di swap.

9 8 Memoria segmentata La memoria segmentata viene gestita maggiormente a livello software, una grande parte del procedimento di segmentazione, è infatti messa in atto dai programmi stessi, che sono strutturati in segmenti. La MMU ha il compito di tenere traccia di quali segmenti sono presenti in memoria, quanti e dove. Il vantaggio di questo tipo di memoria virtuale è il fatto che sfrutti appieno il principio di localizzazione che abbiamo precedentemente descritto, questo fa si che lo spazio di swap sia decisamente meno necessario rispetto all organizzazione paginata della memoria virtuale, i vari segmenti necessari sono infatti già caricati in memoria, e quindi è altamente improbabile che il programma necessiti di recuperare altrove ulteriori segmenti. Lo svantaggio di questo tipo di memoria virtuale è, invece, lo spreco di memoria dovuto alla frammentazione esterna, problema che diviene limitante per le prestazioni della macchina dopo un relativamente lungo periodo di lavoro, la memoria viene allocata e deallocata in blocchi di varie dimensioni e questo procedimento lascia un numero variabile di spazi vuoti, che risultano inutili per allocare ulteriori frammenti, di conseguenza rimangono inutilizzati; Risulta abbastanza semplice capire il problema di scarsa ottimizzazione di questo metodo di organizzazione della memoria virtuale. Per ovviare a questo problema di spreco di memoria si ricorre a un procedimento di compattazione periodica della memoria fisica allocata, questo procedimento si basa su algoritmi di allocazione di memoria pesanti e complessi, di conseguenza, per risolvere un problema, se ne crea un altro, ossia la sensibile diminuizione delle prestazioni della macchina. In questo tipo di organizzazione della memoria, ad ogni processo è associata una tabella dei segmenti, nella quale, ogni voce, rappresenta un segmento del processo, e contiene almeno i campi bit present, bit modified e base address. Gli indirizzi logici sono costituiti da numero di segmento (segment number) e parametro di displacement (displacement). La traduzione degli indirizzi avviene trovando la voce della tabella corrispondente al numero di segmento, se il bit present ha valore 0, il segmento non si trova nella memoria principale, viene sollevata quindi un eccezione simile al Page Fault della memoria paginata, detta Segment Fault, si attente che il segmento venga caricato in memoria, infine si genera l indirizzo fisico sommando il parametro di displacement (dislocamento, spostamento) al base address del segmento in memoria.

10 9 Sostituzione delle pagine in memoria Come abbiamo riassunto in precedenza, uno dei meccanismi più importanti alla base della memoria virtuale è la sostituzione delle pagine. Come abbiamo visto negli approfondimenti riguardanti la memoria paginata, è necessario sostituire le pagine che vengono spostate dalla memoria primaria a quella secondaria. Ovviamente, la sostituzione delle pagine è applicata solo nell ambito della memoria paginata. Come tutte le operazioni informatiche, durante la fase di progettazione di questo sistema è stato necessario sviluppare una strategia di trasferimento efficace ed efficiente. Esistono sostanzialmente tre strategie di scelta della pagina da scaricare: Scelta random Scelta per Least recently used (LRU) Scelta per ordine di caricamento - First in first out (FIFO) Analizziamo ora, brevemente, le tre strategie di scelta della pagina da trasferire. Scelta per casualità (Random) La pagina da scaricare viene scelta in modo casuale, seguento appunto un algoritmo di generazione random di cui cito testualmente la definizione: In relazione al calcolo delle probabilità, casuale, fortuito. Scelta per ordine di utilizzo (LRU) La scelta della pagina da scaricare viene eseguita tramite un algoritmo LRU, che tiene conto di due parametri: l access bit e il dirty bit, entrambi parametri memorizzati nella tabella delle pagine. L obiettivo di questa strategia di scelta è misurare quanto una pagina è anziana per ordine di utilizzo, e questa misurazione avviene attraverso la gestione dell access bit. L access bit viene posto, in fase di caricamento, a valore 0 - Successivamente, ad ogni accesso, il bit viene posto a 1, e periodicamente il sistema operativo riporta il bit a valore 0. Esistono due sotto-strategie di scelta per LRU: Algoritmo LRU di base: sceglie una delle pagine con access bit pari a 0 Quelle con access bit a valore 1 sono quelle utilizzate più di recente Algoritmo LRU avanzato: Il sistema operativo tiene un contatore per ogni pagina Prima dell azzeramento periodico il s.o. incrementa tale contatore per tutte le pagine che

11 10 hanno access bit pari a 0. Infine si sceglie la pagina con access bit a valore 0 e con il valore del contatore più elevato. Scelta per ordine di caricamento (FIFO) La scelta per ordine di caricamento è un tipo di poitica importata da altri ambiti esterni all informatica, viene infatti utilizzata in ambito logistico e di contabilità. Testualmente First in - First Out significa primo che entra, primo che esce Da questa definizione basilare possiamo intuire la reale natura di questa politica; Come detto, il termine FIFO, è nato in ambito di gestione logistica, e solo successivamente è stato importato nell ambito dell elettronica e dell informatica, e rappresenta la modalità di immagazzinamento di oggetti (che siano essi fisici o virtuali) in cui il primo oggetto introdotto è il primo ad uscire. Il metodo FIFO è utilizzato, come già anticipato, nella gestione dei processi in memoria, quindi nella scelta della sostituzione delle memorie nell ambito della memoria paginata, sarà la prima pagina caricata, la prima ad essere scaricata. La tecnica FIFO è sufficientemente efficiente, perché è semplice e di rapida esecuzione da parte dei dispositivi dedicati alla gestione del flusso di dati in memoria. Tuttavia ha lo svantaggio di spostare in memoria secondaria le pagine più vecchie senza tenere conto della loro frequenza d uso da parte dei processi. Tecnica FIFO e Anomalia di Belady Questa tecnica ha un ulteriore svantaggio: Produce infatti la cosiddetta Anomalia di Belady, fenomeno che incrementa sensibilmente la frequenza delle eccezioni di page fault in base all aumento dei frame (pagine di memoria) assegnati ai processi. Anomalia scoperta nel 1969 da Belady e altri suoi collaboratori, afferma che alcune successioni di riferimenti applicate utilizzando gli algoritmi FIFO con una certa quantità di memoria, producono due volte i page fault che con una quantità minore di memoria. Nell anno 2010 è stato dimostrato che è possibile elaborare alcune stringhe, tali da aumentare arbitrariamente il rapporto tra page fault e frame dei processi. Per risolvere questa anomalia, essendo che si verifica solo sugli algoritmi FIFO si è optato per una soluzione molto semplice: passaggio degli algoritmi a stack. Il termine Stack vuol dire letteralmente pila e esprime appieno la strategia che mette in atto, gli oggetti (fisici o virtuali) vengono infatti posizionati l uno sull altro, appunto, in pile. E semplice capire come adottare una strategia FIFO su una pila di oggetti sia improbabile, se non impossibile, di conseguenza un algoritmo a stack è ciò che si definisce Algoritmo LIFO, acronimo di Last In First Out.

12 11 hanno access bit pari a 0. Infine si sceglie la pagina con access bit a valore 0 e con il valore del contatore più elevato. Scelta per ordine di caricamento (FIFO) La scelta per ordine di caricamento è un tipo di poitica importata da altri ambiti esterni all informatica, viene infatti utilizzata in ambito logistico e di contabilità. Testualmente First in - First Out significa primo che entra, primo che esce Da questa definizione basilare possiamo intuire la reale natura di questa politica; Come detto, il termine FIFO, è nato in ambito di gestione logistica, e solo successivamente è stato importato nell ambito dell elettronica e dell informatica, e rappresenta la modalità di immagazzinamento di oggetti (che siano essi fisici o virtuali) in cui il primo oggetto introdotto è il primo ad uscire. Il metodo FIFO è utilizzato, come già anticipato, nella gestione dei processi in memoria, quindi nella scelta della sostituzione delle memorie nell ambito della memoria paginata, sarà la prima pagina caricata, la prima ad essere scaricata. La tecnica FIFO è sufficientemente efficiente, perché è semplice e di rapida esecuzione da parte dei dispositivi dedicati alla gestione del flusso di dati in memoria. Tuttavia ha lo svantaggio di spostare in memoria secondaria le pagine più vecchie senza tenere conto della loro frequenza d uso da parte dei processi. Tecnica FIFO e Anomalia di Belady Questa tecnica ha un ulteriore svantaggio: Produce infatti la cosiddetta Anomalia di Belady, fenomeno che incrementa sensibilmente la frequenza delle eccezioni di page fault in base all aumento dei frame (pagine di memoria) assegnati ai processi. Anomalia scoperta nel 1969 da Belady e altri suoi collaboratori, afferma che alcune successioni di riferimenti applicate utilizzando gli algoritmi FIFO con una certa quantità di memoria, producono due volte i page fault che con una quantità minore di memoria. Nell anno 2010 è stato dimostrato che è possibile elaborare alcune stringhe, tali da aumentare arbitrariamente il rapporto tra page fault e frame dei processi. Per risolvere questa anomalia, essendo che si verifica solo sugli algoritmi FIFO si è optato per una soluzione molto semplice: passaggio degli algoritmi a stack. Il termine Stack vuol dire letteralmente pila e esprime appieno la strategia che mette in atto, gli oggetti (fisici o virtuali) vengono infatti posizionati l uno sull altro, appunto, in pile. E semplice capire come adottare una strategia FIFO su una pila di oggetti sia improbabile, se non impossibile, di conseguenza un algoritmo a stack è ciò che si definisce Algoritmo LIFO, acronimo di Last In First Out.

13 12 Working Set Dopo aver analizzato i principali sistemi di gestione della memoria virtuale, e le strategie di scelta delle pagine da scaricare, concludiamo questo approfondimento con la definizione di Working Set. Si definisce Working Set di ordine K l insieme delle pagine utilizzate negli ultimi K accessi a memoria Per semplificare possiamo dire che il working set di un processo è l insieme delle pagine nello spazio di memoria virtuale relativo a quel processo, che sono in quel momento presenti sulla memoria fisica. Quando un processo fa riferimento, tramite un indirizzo, ad una pagina che non si trova in quel momento all interno del suo working set, viene sollevata un eccezione di page fault. In conclusione, riassiumiamo la gestione dell evento che abbiamo richiamato più volte, ossia il page fault. Innanzitutto è necessario definire con maggiore precisione la natura di questa eccezione: Il page fault è un eccezione trap, generata quando un processo cerca di accedere ad una pagina che, come riassunto in precedenza, non si trova all interno del suo working set. Per dare una rapida spiegazione della gestione di un page fault possiamo dire che il sistema operativo tenta di risolvere il page fault nella maniera più semplice possibile, ossia rendendo accessibile la pagina richiesta nel working set del processo, quindi nella memoria fisica. Esistono un componente hardware e un componente software che hano il compito di rilevare e gestire un page fault. Il componente hardware è il MMU, mentre quello software è il gestore delle eccezioni, che generalmente fa parte del sistema operativo. Per descrivere in modo più approfondito la gestione di un page fault dividiamo il procedimento che viene eseguito in tre operazioni. 1) Controllo della tabella interna del processo, salvata in precedenza con il Process control block (PCB) - questo controllo serve per verificare la legalità dell accesso in memoria, se dal controllo risulta che l accesso era illegale, il processo viene arrestato, al contrario si provvede al caricamento dlela pagina richiesta. 2) Ricerca di un frame libero e sostituzione della pagina (tramite FIFO o LRU) 3) Riavvio dell istruzione che era stata interrotta nel momento in cui era stata sollevata l eccezione di page fault.

14 Scritto da Barlocchi Stefano Revisione del Dicembre 2015 Disponibile presso sezione documentazione tecnica